科学与艺术,一个硬币的两面

作者/出处:   日期:2005-09-21


 


 


    狄拉克(相对论量子力学的发明人)有一次对奥本海默(二次大战期间洛斯阿拉莫斯原子弹计划主任)说:"我听说你也是一位诗人。"奥本海默回答说:"是的。"狄拉克说:"这很奇怪。诗人描述的感情是每个人内在所有的,也都是能理解的,但是他所叙述的方式是从未有人用过的;在物理学中则正相反,我们用的是和其他人同样的语言,但表达的是以前任何人都不知道的知识。你怎么能同时成为两者呢?"

    艺术和科学的共同基础是人类的创造力。它们追求的目标都是真理的普遍性。
    艺术,例如诗歌、绘画、音乐等等,用创新的手法去唤起每个人的意识或潜意识中深藏着是已经存在的情感。情感越珍贵,唤起越强烈,反响越普遍,艺术就越优秀。科学,例如化学、物理、生物等等,对自然界的现象进行新的准确的抽象,这种抽象通常被称为自然定律。定律的阐述越简单,应用越广泛,科学就越深刻。尽管自然现象不依赖于 科学家而存在,它们的抽象是一种人为的成果,这和艺术家的创造是一样的。科学家追求的普遍性是不同自然现象的普遍性,它的真理性植根于外部世界,科学家和整个人类只
是这个外部世界的一个组成部分。艺术家追求的

       李政道教授近影

普遍真理性也是外在的,它植根于整个人类,没有时间和空间的界限。尽管科学的普遍性和艺术的普遍性在这一点上不同,它们仍然有着很强的关联。
    例:诗的普遍性
    李白在他的诗《把酒问月》中写道:青天有月来几时,我今停杯一问之,……
    今人不见古时月,今月曾经照古人。古人今人如流水,共看明月皆如此。……
    三百多年后,苏轼作了"水调歌头",他写道:明月几时有,把酒问青天。
    ……
    人有悲欢离合,月有阴晴圆缺,此事古难全.但愿人长久,千里共蝉娟。
    在吟诵这些诗的时候,它们的相似之点和不同之处同样感动着读者.尽管李白和苏轼生活的时代和今天的社会已经完全不同了,每一首诗在今天人们的心中仍然引发强烈的感情共鸣.
    例:科学是普遍性
    在十九、二十世纪之交,科学家作出了两个关键性的发现,它们看上去似乎有些神秘,与我们的日常生活无关。一个是迈克尔逊和莫雷在1887年作的光速实验,另一个是普朗克在1900年发现的黑体辐射公式。前者是爱因斯坦特殊相对论和量子力学,本世纪所有的科学发展--核能、原子物理、分子束、激光、X射线技术、半导体、超导体、超级计算机,才得以存在。对人类和人类了解自然,它们几乎包括了一切。这是对科学的普遍性的最好说明。

    对称和不对称
    科学和艺术的很多内容是基于对称和不对称之间的相互影响和作用。自然界是不是完全对称的,或者她有着内在的不对称性?具有全部对称的东西更完美,还是具有部分不对称的东西更完美?
    图一是弘仁的原画,它包含着一些左右不对称。我对弘仁的画做了修改,使它变得完全左右对称(图二)。请你自己判断那一个更美。
    在日常生活中,左和右明显是不同的。但是在1956年底发现左右对称破坏(宇称不守恒)之前,自然定律在左右交换下的对称性被认为是理所当然的。为什么呢?
    让我举一个例子。如图三所示,假定有两辆汽车,一辆是另一辆在镜中的映象,其它完全。汽车A的司机座在左前方,油门靠近他的右脚。汽车B的司机座在右前方,油门靠近他的左脚。两辆车加了同样数量的汽油,假定其中没有杂质,而且是左右对称的。现在假定汽车A的司机顺时针转动汽车的点火钥匙,并用右脚踩油门,使汽车以每小时30英里的速度向前行驶。另一辆车的司机做完全一样的事情,但是对换了左右。即他反时针转动点火钥匙,用左脚踩油门,但油门踏板的倾斜度和汽车A的一样。汽车B的运动应该怎样呢?请大家来猜一下。

    也许,你的常识告诉你,这两辆车明显地应该以完全相同的速度向前运动。如果这样,你就和1956年以前的物理学家一样。两种装置,一个是另一个的镜象,其它完全一样,它们应该在以后的时刻,在所有的方面都有相同的行为,当然除了原来的左右差别之外。这个结论看起来是合理的。换句话说,虽然右和左是不同的,除了这个差别外,它们应该没有其它差别。因此,我们把那一个叫左,那一个叫右完全是相对的。这正是物理中的左右对称原理。

    令人惊讶的是,人们发现上面的结论并不正确。现在我们知道,自然界的定律对于左和右、粒子和反粒子、时间反演都不是对称的。在物理学中,我们用C表示粒子和反粒子的交换,P表示右和左的交换,T表示过去和将来的交换。虽然,C或P、或T,单独的对称不合自然规律,我们发现,所有的自然定律对于CPT的联合操作是对称的。换句话说,如果我们同时做下面的交换:
      粒子?  反粒子
      右?  左
      过去?  将来

    所有的物理定律是对称的。这称为CPT对称性。图四是埃雪画的,它表达了CP对称(如果你想象马是在运动中,它也提示CPT对称性)。
    用艺术说明的科学
    欧几里德和非欧几里德空间
    如果几个人站在一条直线上,面向垂直于线的同一方向,A先生在B先生的右边,B先生在C先生的右边。那么,A先生就在C先生的右边。如果如图五,几个人站成一圈,这个

关系就不对了(每个人面向同样半径的方向,例如面向圆外)。这是因为直线的内禀几何是欧几里德型的,而圆是非欧几里德型的。这是在一维空间的情况。高维的非欧几里德空间就很难直观地想象了。这里,艺术可以给予帮助。 在我们生活的三维欧几里德空间中,如果点A比点B高,点B比点C高,那么点A一定比点C高。如图

六所示,在非欧几里德空间,这就不一定正确了。
    在高维中消除低维的简并
    我们在物理中常常遇到这样的情况,在高维中两个物体是不同的,但是把它们投影到低维空间,看上去是一样的("看上去是一样的"有时被称为简并)。图七是一个圆柱的二维投影。用眼睛凝视这个图象,并沿着圆柱移动,你会发现它看上去像两个不同的三维物体。
   超弦
   超弦理论认为,我们四维世界中的所有现象只是十维空间中一根弦的表现。一次,我对已故李可染大师解释为什么这在科学上的可能的,我说:"想象用一根三维的线来绣一

幅二维的图。我们可以绣出人、马、马车和许许多多其它东
西。再想象这根线可以按任何方式运动,三维空间中线的运动就产生了人、马等等二维图象的运动。"我们讨论的结果是可染大师作了一幅著名的关于超弦的画(图八)。
    自1987年以来,中国高等科学技术中心每年的国际会议都邀请画家按照会议的主题作画。作者中有已故李可染先生,和吴作人、黄胄、华君武、常莎娜等艺术大师,也有鲁晓波这样的后起之秀。这些作品既给予科学家艺术欣赏,又触发他们的思想火花,受到了国内外科学界的广泛赞扬。这

次画展中,还有其它许多艺术来描绘科学的大作。我希望这个会议能促进艺术家和科学家更紧密的合作。
    我想,现在大家可以相信科学和艺术是不能分割的。她们的关系是与智慧和情感的二元性密切关联的。伟大艺术的美学鉴赏和伟大科学观念的理解都需要智慧。但是,随后的感受升华和情感又是分不开的。没有情感的因素,我们的智慧能够开创新的道路吗?没有智慧,情感能够达到完美的成果吗?它们很可能是确实不可分的。如果是这样,艺术和科学事实上是一个硬币的两面。它们源于人类活动最高尚的部分,都追求着深刻性、普遍性、永恒和富有意义。
                     
      (本文是著名物理学家、诺贝尔奖金获得者李政道先生在北京一次研讨会上的演讲,标题是编者作了改动)

 



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